Würde ein Astronaut während eines Manövers zur Unterstützung der Schwerkraft eine Kraft erfahren?

Wenn die einzige Beschleunigung auf die Gravitation der großen Masse zurückzuführen ist und die Masse nicht außergewöhnlich groß oder außergewöhnlich nahe ist (z. B. enge Annäherung an ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern), erfährt der Astronaut keine merkliche Beschleunigung relativ zum Raumfahrzeug. Die Schwerkraft beeinflusst das Raumfahrzeug und den Astronauten nahezu identisch, und die Beschleunigung des einen entspricht der Beschleunigung des anderen. Dies ist identisch mit der Situation für ein Raumschiff in einer geschlossenen Umlaufbahn um einen Planeten, das ebenfalls kontinuierlich auf das Zentrum des Planeten beschleunigt.

Die Wirkung der Schwerkraft nimmt mit zunehmender Entfernung von einer großen Masse ab, daher gibt es immer einen Gravitationsgradienten über einem Raumfahrzeug. Wenn der Schwerkraftgradient steil genug oder das Raumfahrzeug sehr geräumig ist, befindet sich ein Astronaut, der sich vom Massenzentrum des Raumfahrzeugs entfernt, auf einer divergierenden Umlaufbahn, die ihn tendenziell noch weiter vom Massenzentrum entfernt. Dies wird Gezeitenkraft genannt . Der Effekt ist zu gering, um in jedem vernünftigen Fall wahrnehmbar zu sein: Ein gefährlich naher Jupitervorbeiflug, sagen wir 10 km über den Wolkenspitzen, würde einen Gravitationsgradienten von weniger als einem Zehnmillionstel einer g-Kraft pro Meter Höhenunterschied erfahren. Selbst in einem kilometerlangen Raumschiff würde ein Mensch keine Gezeitenkraft von einem Ende zum anderen bemerken.

Da die Schwerkraft mit dem Quadrat der Entfernung vom Massenmittelpunkt abnimmt, wird der Gravitationsgradient steiler, je näher Sie der Masse kommen; Bei exotischen großen Massen wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern ist es möglich, der Masse viel näher zu kommen. Theoretisch können Sie nahe genug herankommen, damit die Gezeiteneffekte vom Menschen wahrnehmbar sind. In der Praxis wollen Sie wahrscheinlich nicht so nahe kommen. Spoiler für eine bekannte Science-Fiction-Geschichte von 1966:

Larry Nivens Geschichte „Neutron Star“ aus dem Jahr 1966 befasst sich mit der Wirkung der gravitativen Gezeitenkraft auf ein langes, dünnes, unzerstörbares Raumschiff, das einem Neutronenstern nahe kommt, in einer Umgebung, in der Raumschiffpiloten irgendwie die Existenz von Gezeitenkraft vergessen haben.

Raketenschub und atmosphärischer Widerstand wirken im Gegensatz zur Schwerkraft direkt auf die Struktur des Raumfahrzeugs und verändern seine Flugbahn relativ zu der des Astronauten, wodurch der Astronaut auf eine Seite des Raumfahrzeugs gedrückt wird, hoffentlich auf die Seite mit Polsterung. Beachten Sie, dass aufgrund des Oberth-Effekts eine enge Annäherung an einen Planeten auch ein guter Zeitpunkt sein kann, um Raketenschub zu verwenden, um Flugbahnänderungen zu bewirken, sodass aktiver Schub mit Schwerkraftunterstützung kombiniert werden kann.

Der Astronaut wird durch die Gravitationskraft des Körpers, an dem er vorbeifährt, beschleunigt, aber er "fühlt" es nicht in einem qualitativen Sinne, wie er es bei einer Triebwerksverbrennung tut. Dies liegt daran, dass die Schwerkraftunterstützung eine Kraft auf das gesamte Raumschiff und alles darin auf gleichmäßige Weise ausübt – die Schwerkraft zieht an jedem Teil von Ihnen, von Ihrem Kopf bis zu Ihren Zehen. Ein Triebwerksbrand beschleunigt dagegen nur direkt das Schiff selbst, das dann über den angeschnallten Sitz eine Kraft auf den Astronauten überträgt. Ein Astronaut kann eine Schwerkraftunterstützung durchführen, während er in seinem Raumschiff herumschwebt und niemals die Wände berührt, aber ein Astronaut kann nicht in einem Raumschiff schweben, das seine Triebwerke abfeuert.

Dies ist ein Ergebnis der Tatsache, dass Menschen eher eine richtige Beschleunigung „fühlen“ als eine koordinierte Beschleunigung , die relativ zum lokalen Gravitationsfeld ist. Wenn Sie und jeder Bezugspunkt, den Sie sehen können, unter der Schwerkraft auf die gleiche Weise beschleunigen, wird es nicht so aussehen, als würde überhaupt etwas beschleunigen. Aus diesem Grund „fühlen“ sich Astronauten auf der ISS wie in der Schwerelosigkeit, obwohl die Schwerkraft immer noch 90 % so stark ist wie auf der Oberfläche des Planeten. Die Durchführung einer Gravitationsunterstützung/eines Vorbeiflugs wird genau gleich sein – Sie und das Raumschiff befinden sich einfach die ganze Zeit über im freien Fall, so wie es die ISS bereits ist.

Dies setzt voraus, dass das lokale Gravitationsfeld tatsächlich über die Größe des Schiffes einigermaßen gleichmäßig ist und das Schiff und den Astronauten auf genau die gleiche Weise beschleunigt. Dies ist normalerweise eine sehr gute Annäherung, kann jedoch bei einem sehr nahen Vorbeiflug oder einem sehr massiven Körper zusammenbrechen. Ein naher Vorbeiflug an einem Schwarzen Loch könnte beispielsweise zu erheblichen Gezeitenkräften führen, die den Astronauten ausdehnen würden, wenn seine Füße stärker gezogen würden als sein Kopf.