Wie messen Raumfahrzeuge die Schwerkraft an Bord?

Es ist grundsätzlich unmöglich, die Schwerkraft von einem Objekt aus zu messen, das sich im freien Fall befindet. Dies ist das erste Prinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie .

Was Beschleunigungsmesser Ihnen geben werden, ist

• Beschleunigungen (linear oder rotatorisch), die durch Triebwerke, atmosphärischen Widerstand, Reaktionsräder usw. induziert werden.
• Vibrationen von rotierenden Sonnenkollektoren, von der Besatzung verursachte Kräfte usw.

Das Einzige, was man an einem Körper im freien Fall messen kann, sind Inhomogenitäten im Schwerefeld, also der Schweregradient . Sie können eine Sammlung von Beschleunigungsmessern so anordnen, dass sie zu einem Gravitationsgradiometer werden . Ein Gradiometer misst nicht die Gravitation selbst, sondern die Veränderung des Gravitationsfeldes, wenn sich das Gradiometer daran entlangbewegt.

Der beste Weg, die Schwerkraft von einem Raumfahrzeug aus zu messen, ist nicht die Verwendung eines Instruments an einem Raumfahrzeug, sondern die Verwendung eines Instrumentenpaars an zwei Raumfahrzeugen. Das beste Beispiel dafür ist die Raumsonde Grail . Was sie im Wesentlichen taten, war, den Mond so zu umkreisen, dass sie einen mehr oder weniger konstanten Abstand zwischen den beiden hatten. Wenn ein Bereich mit höherer Schwerkraft passiert wird, dann würde das Raumschiff tatsächlich ein wenig fallen. Die beiden Raumfahrzeuge waren in der Lage, die Entfernung zwischen den beiden Raumfahrzeugen sehr genau zu erfassen und festzustellen, ob sich die Raumfahrzeuge in eine bestimmte Richtung bewegten. Mit komplexer Mathematik konnten sie die Gravitationskarte des Mondes berechnen.

Alternativ kann dies unter Verwendung eines erdgestützten Radarsystems erfolgen, bei dem die Frequenz des Raumfahrzeugs sehr sorgfältig auf Dopplerverschiebung überwacht wird, wobei nach kleinen Änderungen in der Umlaufbahn gesucht wird, die durch unterschiedliche Gravitationsfelder verursacht werden. Das ist aufwendig, wurde aber gemacht. Das beste Beispiel dafür war Magellan , aber ich glaube, es wurde von anderen Raumfahrzeugen durchgeführt, und dieser Doppler-Effekt wird auch verwendet, um das Gravitationsfeld von Jupiter durch die schwerkraftgestörte Umlaufbahn der Juno-Raumsonde zu bestimmen, wenn sie 2016 beginnt, ihn zu umkreisen.

Soweit ich das beurteilen kann, haben wir keine vernünftig großen Sensoren, die in der Lage sind, die Mikrogravitation genau zu bestimmen, und dass unsere offiziellen Gravitationswerte stattdessen aus anderen Informationen berechnet werden. Mit genügend Informationen über die Massen und Entfernungen zu Objekten in der Nähe und die Beschleunigung eines bestimmten Raumfahrzeugs können wir die Gravitationskraft auf das Raumfahrzeug ziemlich genau berechnen, ohne dass Sensoren erforderlich sind.

Beispielsweise verfügt die Internationale Raumstation über zwei Systeme von Beschleunigungsmessern (SAMS-II und MAMS), die zur Erkennung kleiner Vibrationen am Rahmen der ISS verwendet werden, aber keines von ihnen ist tatsächlich empfindlich genug, um die effektive Netto-Gravitationskraft auf der ISS zu messen.

Sie können die Mikrogravitation bestimmen, indem Sie zwei oder mehr frei schwebende Objekte beobachten und ihre Bewegung aufeinander zu oder voneinander weg messen. Dies ist die Bowlingkugel-Methode. Wie können Sie feststellen, ob Sie sich im freien Raum befinden oder einen langen Aufzugsschacht hinunterfallen? Beobachten Sie ein Paar "schwimmender" Bowlingkugeln. Wenn sie sich schneller aufeinander zu bewegen, als ihre eigene Gravitation erzeugen sollte, dann fallen Sie in einen Gravitationsschacht. In Umlaufbahnen herrscht immer eine Pseudo-Mikrogravitation, da Teile des Raumfahrzeugs, die näher am Planeten sind, versuchen, einer schnelleren Umlaufbahn zu folgen als weiter entfernte Teile. Es wird oft als Gezeiteneffekt bezeichnet.

Der verstorbene Dr. Robert Forward von Hughes Research entwarf „Raumzeit-Flattener“ für Shuttle-Experimente. Dies sind Anordnungen aus Wolframscheiben und -kugeln und Torussen, die den Gezeiteneffekten entgegenwirken und sehr gute Annäherungen an das Vorhandensein im freien Raum weit entfernt von einer signifikanten Masse gaben, wenn auch in kleinen Bereichen in der Mitte des Apparats. Er beklagte sich einmal darüber, dass er sie nicht patentieren lassen könne, weil er sie ausgiebig (in viel größerem Umfang) in seiner Science-Fiction verwendet habe.