Winziges Notantriebsgerät, wenn es in einem großen Volumen in der Schwerelosigkeit schwebt

Ich habe einen realen Test dazu gefunden. Dan Barry versuchte es, als STS-96 an die ISS angedockt war. Ich habe seinen Bericht aus dem Buch „ Space Shuttle: Die ersten 20 Jahre “ gescannt.

tl;dr - er entkam, indem er seine Kleidung warf .

Transkription:

DANN BARRY | Mitten im Raum gestrandet

STS-96

1999 zum ersten Mal vom Orbiter aus die Raumstation zu betreten, war eine aufregende Erfahrung. Selbst mit nur zwei Modulen – Unity und Zarya – war die Lautstärke der Station zehnmal so hoch wie die von DiscoveryFlugdeck und Mitteldeck kombiniert. Ich schwebte genau ins Zentrum von Unity, wo ich die Wände nicht erreichen konnte, und strandete mitten im Raum. Es ist nicht leicht, gestrandet zu sein – ich musste mir von meinen Freunden helfen lassen, vollkommen ruhig zu werden. Sobald ich stationär war, blieb mein Gehirn davon überzeugt, dass ich mich irgendwie manövrieren oder an die Wand treten könnte. Aber als ich einen Arm ausstreckte, bewegte sich mein Körper zurück und meine Mitte blieb in der Mitte des Raumes. Ich versuchte instinktiv, mich schnell, dann langsam zu bewegen, und radelte dann mit den Beinen. Nichts davon hat geholfen. Ich musste nur darauf warten, dass die Luftströmungen mich an die Wand trieben. Niesen und Spucken halfen auch nicht viel. Auf der anderen Seite erzeugte das Werfen von Kleidung so schnell ich konnte genug Reaktion, um mich an die gegenüberliegende Wand zu schicken.

EIN AUSSENPOSTEN AM HIMMEL 117

Was wäre, wenn Sie nur ein paar nicht aufgeblasene Luftballons bei sich tragen würden?

Wenn Sie jemals stecken bleiben, blasen Sie einfach den Ballon auf und halten Sie ihn dann in der Nähe Ihres Schwerpunkts, richten Sie ihn von sich weg und lassen Sie die Luft heraus. Wiederholen Sie dies, bis Sie die Wand erreicht haben.

Das Schöne ist, dass ein nicht aufgeblasener Ballon leicht genug ist, dass Sie sogar ein paar Ersatzteile haben könnten.

Zum Vergleich: SICHERER ist, wie 3 m/s-dV komprimiertes Gas aussieht. Ich bezweifle, dass Sie das verbergen können.

Handventilatoren sind Ihre beste Wahl, da sie im Gegensatz zu all Ihren anderen Optionen keine eigene Reaktionsmasse tragen (na ja, wenn Sie die Batterie in einem Laserpointer "Reaktionsmasse" nennen können). Sie bewegen die Luft nicht besonders schnell , aber sie werden im Vergleich zu Druckgas-/Mini-Ionen-Optionen für lange Zeit relativ große Mengen davon bewegen.

Tatsächlich sind Lüfter eine so gute Option , dass viele Flugzeuge vergrößerte Versionen für einen hocheffizienten Antrieb verwenden.

Lassen Sie uns im Sinne der Frage die einfachste mögliche Option finden.

Wir müssen 100 Meter in 600 Sekunden (10 Minuten) zurücklegen. Das bedeutet, dass wir eine Geschwindigkeit von benötigen

Was ist, wenn Sie ein professioneller Baseballspieler sind? Die Weltrekord-Wicklungsgeschwindigkeit liegt bei etwa 40 m/s, also scheint dies ein guter Anfang zu sein. Nehmen wir einfach an, Sie haben auch immer einen Ball bei sich.

Angenommen, Sie sind mit etwa 60 kg etwas dünn und der Ball mit etwa 150 g etwas schwer.

Der Ball wird 99,75 % der Geschwindigkeit erreichen und Sie nur 0,25 %.

Also gehen wir nirgendwo schnell hin, aber wir werden in einer Viertelstunde dort ankommen. Wenn Sie in der 10-Minuten-Marke dort ankommen wollen, werfen Sie etwas Schwereres oder versuchen Sie, den Weltrekord für Wurfgeschwindigkeit zu brechen. Sie könnten auch eine Diät machen, bevor Sie gefangen sind, aber das würde eine erstaunliche Voraussicht erfordern.

Wirf einen Fallschirm aus, der aufspringt, wenn er das Ende einer Leine erreicht. Ziehen Sie ihn schnell zurück. Dies gibt Ihnen Schwung (mehr als zum Schleudern des Fallschirms). Es könnte als Umhang, Turban, Lendenschurz oder Mumu dienen.

Hier sind ein paar (schlechte) Ideen:

• Machen Sie einen Makramee- Gürtel aus 100 m Schnur und stellen Sie sicher, dass die Schnalle magnetisch ist. Nehmen Sie den Gürtel ab, lösen Sie die Knoten und lassen Sie dann etwas lasso.

• Verwenden Sie ein paar Handfächer . Sie wären ziemlich leicht zu verstecken und sollten mehr Luft bewegen als Ihre Lungen.

• Tragen Sie ein kleines Funkgerät und rufen Sie um Hilfe. Das wird wahrscheinlich nicht funktionieren, wenn Sie das Opfer eines Streichs sind, aber man weiß nie.

Ich würde mich nicht um einen Tank mit komprimiertem Gas kümmern - zu leicht, um keinen Kraftstoff mehr zu haben.

Ebenso könnte ein riesiger Elektromagnet, der groß genug ist, um Sie zu Ihrem Ziel zu ziehen, etwas unpraktisch und schwer in Ihrem Haar zu verstecken sein.

Wenn Sie in der Lage sein müssen, 100 Meter in 10 Minuten zurückzulegen, und Sie eine Masse von 70 kg haben, dann ist der Mindestimpuls, den Sie sich geben können müssen,$70\cdot \frac{100}{600} \approx 12 \rm{~kg~m/s}$. Angenommen, Sie haben den Arm eines professionellen Baseball-Pitchers, der in der Lage wäre, einen 145-Gramm-Ball mit einer Geschwindigkeit von bis zu 160 km/h (45 m/s) zu werfen, müssten Sie zwei Baseballs (oder Gegenstände) mit sich führen mit äquivalenter Masse). Aus diesem Grund wird das Tragen eines sehr kleinen Faltventilators als Option schnell attraktiver - Sie müssen nicht die ganze Masse tragen, wenn Sie die Luft um sich herum bewegen können.

Ein einfacher Handventilator könnte eine Luftgeschwindigkeit von 2 m/s über eine Scheibe mit einem Durchmesser von 20 cm liefern. Ein solcher Lüfter würde 75 g Luft pro Sekunde bewegen, bei einer Nettokraft von 0,15 N; Wenn Sie diese Kraft auf Ihren 75 kg schweren Körper anwenden, würden Sie mit a = 0,002 m / s beschleunigen$^2$. Das bedeutet, dass Sie in 10 Minuten eine Strecke von $\frac12 bei^2 = 380 m zurücklegen können, was ausreichend ist.

Der Unterschied liegt in der Tatsache, dass Ihr Ventilator die Masse der Luft um Sie herum nutzt. Aus diesem Grund sind Raketen so groß – sie müssen nicht nur ihren Treibstoff mitführen, sondern ihr Antrieb ist im Wesentlichen das Ergebnis des Ausspuckens von Masse aus dem Endrohr. Wenn Sie das Medium um sich herum bewegen können, können Sie viel effektiver sein.

Beachten Sie, dass eine Dose "Notluft" Ihnen wiederum nicht das gewünschte Ergebnis liefert. Es ist dieses lästige Produkt aus Masse und Geschwindigkeit, auf das es ankommt ...

Zur Frage der Leistung: Wenn wir von 25 % Wirkungsgrad des Motors ausgehen, muss die elektrische Leistung das Vierfache der kinetischen Energie der bewegten Luft pro Sekunde betragen. Die Motorleistung muss also sein

Um dies 10 Minuten lang aufrechtzuerhalten, würden 0,1 Wh Energie benötigt.

Ein kleiner tragbarer Ventilator mit zwei Batterien der Größe AA hätte eine Kapazität von etwa 1600 mAh * 3,0 V = 4,8 Wh. Das ist 48 Mal mehr als Sie brauchen. Beachten Sie, dass mit kleiner werdender Fläche des Lüfters die für den gleichen Impuls erforderliche Leistung steigt (Sie benötigen im Grunde eine höhere Geschwindigkeit von weniger Luft). Dieser Ansatz hat einen gewissen Spielraum für eine weitere Miniaturisierung - ich überlasse es Ihnen, die Details dazu herauszufinden. Das ist übrigens der Grund, warum der von Menschenhand angetriebene "Helikopter", der die Sikorsky-Challenge gewann, Rotoren mit einem Durchmesser von 10 Metern hatte ...

Ihre Frage erfordert eine sehr niedrige Geschwindigkeit. 100 Meter in 10 Minuten sind 0,166 m/s.

Nach meinen Berechnungen mit$Ek=\frac 1 2 mv^2$Angenommen, Sie wiegen 80 kg, dann benötigen Sie 1,10224 J Energie. Wenn Sie etwas bei sich haben, das Sie mit 5 m/s wegwerfen können, ergibt das Umstellen der Gleichung Folgendes:

$m=\frac 2 {v^2} Ek$

$m=\frac 2 {5^2} 1.10224J = 0.088kg= 88g$

Ich glaube, dass meine bearbeiteten Werte und Einheiten dieses Mal korrekt sind, also denke ich, dass 88 g immer noch niedrig sind, obwohl sie unkontrolliert wären, sobald sie sich bewegten.

Jegliche zusätzliche Ausrüstung, die Sie möglicherweise bei sich tragen, um Ihnen bei der Flucht zu helfen, könnte ebenfalls geworfen werden. Wie UIDAlexD sagte, ein Ventilator könnte funktionieren, aber es würde auch ausreichen, den Ventilator einfach wegzuwerfen, um Sie in Bewegung zu bringen.

Ein kleines, relativ billiges Gerät (wie angegeben), das nicht nur eine, sondern mehrere Formen der Antriebskraft verwendet, sodass es in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt werden könnte. Ich hätte zuallererst eine zuverlässige und leistungsfähige Stromquelle ... wie einen anständigen Lithium-Polymer-Akku für den Anfang. Das wäre Ihre Grundlage für dieses Gerät. Verwenden Sie dann eine Art Elektromagnet, der auf einer kurzen Verlängerung wie ein Selfie-Stick ausgefahren werden kann … so dass Sie ein magnetisches Kompliment in Ihrer unmittelbaren Umgebung finden können, auf das Sie sich konzentrieren können. Wenn es keine ergänzenden magnetischen (Eisen-)Objekte gibt, die für einen beweglichen Einfluss genutzt werden können, wäre Option (B) ein kleiner Kanister mit verbrauchbarem Inertgas (wie CO2 oder Helium), das in hartnäckigen Situationen verwendet wird, in denen Sie wirklich ohne etwas anderes gestrandet sind um Ihre Immobilität zu unterstützen. Zwischen diesen beiden,

Atmen Sie mit dem Mund ein und erzeugen Sie einen Schub aus dem Nasenloch, fahren Sie fort, bis Sie der Gefahr entkommen sind

Sorgen Sie dafür, dass externe Stimulanzien durch die Nasenhaare dringen, um die Nasenschleimhaut zu erreichen, was es ermöglicht, kontrollierte gerichtete Oberkörpermuskelbewegungen auszulösen (für schnellste Ergebnisse).

Kann ehrlich gesagt nicht nachvollziehen, warum die abstimmen, aber hier sind die Details.

Luftströmungsdynamik menschlicher Jets: Niesen und Atmen

Der "Notfall-Erzwungener-Nasen-Schub-Generator" hat das Ziel, einen kontrollierten Richtungsschub bereitzustellen, der nichts anderes als menschliche Körperbewegungen verwendet.

Wie Sie aus dem in diesem Journal bereitgestellten Bild sehen können, ist die klassische Theorie, die Atmung zum Ansammeln von Geschwindigkeit zu nutzen, um zu entkommen, bestenfalls aus zwei Gründen ineffizient.

1. Die klassische Theorie scheint in der Mikrogravitation nicht zu gelten. Die traditionelle Vorstellung war, langsam von überall einatmen, schnell konzentriert ausatmen und los geht's. Ein Blick auf Luft-/Flüssigkeitsbewegungen in der ISS deutet jedoch auf etwas anderes hin. Hier ist die Mathematik. Sei die Luftdichte p , die Oberfläche des Mundes A und die Geschwindigkeit des Luftstroms aus dem Mund u , so gilt beim Ausatmen Folgendes.$-pAu2$der Arbeit wird im Laufe der Zeit durchgeführt. daher umgekehrter Schub von$pAu2$wird generiert, um voranzukommen. Während der Luftstrom von der Lunge zum Mund einem einzigen Weg folgt, zerstreut sich der Luftstrom unabhängig von der Form der Düse in alle möglichen Richtungen , sobald er außerhalb des Mundes ankommt. Das Nettovolumen von Ein- und Ausgang bleibt immer noch gleich, es sei denn, Sie ändern den Einlass- und Auslassvektor in eine andere Richtung. Wenn es auch nur eine sichtbare Änderung der Luftstromrichtung gab, liegt dies an der Dichte der Luft selbst. (da es unter Mikrogravitationsbedingungen keinen natürlichen Luftstrom gibt. Erinnern Sie sich nur, WARUM die Zwangsklimatisierung der ISS eingeschaltet werden muss?). Kurz gesagt, wenn Sie in der Mikrogravitation Luft ausatmen, sitzt die Luft einfach da, Sie gewinnen keinen Nettoschub, wenn Sie in die gleiche Richtung schauen. Sie können sich nicht darauf verlassen, dass die äußere Form des Luftstroms Sie antreibt.

Das Gebiet der Fluiddynamik scheint ein genaueres Modell der Luftströmung unter Mikrogravitationsbedingungen darzustellen als das klassische Erdmodell, an das wir gewöhnt sind ...

2. Bewegungssteuerungsproblem Wenn wir versuchen, die Atmung als selbstantreibende Methode zu verwenden, liegt die Schwierigkeit darin, den Bewegungsvektor zu ändern. Hier möchte man die Körperbewegung so weit wie möglich einschränken, aber dennoch einen kontrollierten Schub erzeugen.

Das Nasenloch befindet sich am anderen Ende der Körpermasse, zeigt jedoch nach unten zum Schwerpunkt, wobei die Mundöffnung in einem Winkel von etwa 90 Grad angeordnet ist, sodass Einlass und Auslass jederzeit auf einer anderen Ebene positioniert werden können , eine sehr wünschenswerte Eigenschaft. Und der erzeugte Schub wird immer dadurch gesteuert, wie viel Luft man einatmet.

Warum ich darum gebeten habe, einen außerirdischen Gegenstand in die Nase zu stecken Die Frage, die wir haben, ist ein sehr reales und wahrscheinliches Szenario, das in Notsituationen passieren kann. Unter der Annahme wäre es keine gute Idee, einfach zu erwarten, dass Lebenserhaltungs- und andere Luftstromsysteme funktionieren (Sie würden sowieso nicht stecken bleiben, wenn sie von Anfang an richtig funktionieren würden).

"Sorgen Sie dafür, dass externe Stimulanzien durch die Nasenhaare dringen, um die Nasenschleimhaut zu erreichen, was es einem ermöglicht, kontrollierte Richtungsbewegungen der Oberkörpermuskeln auszulösen", ist wirklich der schnellste und effizienteste Weg, um sofort Schub zu erzeugen, um Gefahren mit minimalen Ressourcen zu evakuieren. (Aber ich denke, die Leute dachten nur, ich würde herumalbern.)

Argumentation im Design Angesichts der Bedingung haben Sie wirklich nur Luft als mögliches Treibmittel. Es gibt ein bekanntes technisches Problem zwischen Größe/Wirkungsgrad zum Bereitstellen von Luftschub durch ein mechanisches Turbinentriebwerk.

Dies führt uns zu einem wohlbekannten Problem begrenzter Masse, begrenzter Leistung, einem Gebiet, an dem auf der Erde gearbeitet wurde, unter dem Gebiet des Designs von menschlich angetriebenen Flugzeugen.

Der Schlüssel zu solchen Einschränkungen besteht darin, so viele technische Komponenten wie möglich durch den menschlichen Körper zu ersetzen und den menschlichen Körper als Teil des Designs zu verwenden, anstatt nur eine Nutzlast zu sein.

Bei der Konstruktion eines theoretischen Schubgenerators haben Sie zwei Möglichkeiten (1) ihn im Schwerpunkt zu platzieren oder (2) an der Spitze der Struktur, wobei die Düse auf den Schwerpunkt gerichtet ist.

Mit dem Nasenloch und nach unten gerichtet glaube ich ehrlich gesagt, dass dies eine sehr elegante Lösung ist, um kontrollierten Schub auf kontrollierte Weise zu liefern. Es erlaubt einem, die Düse und den Luftschubgenerator durch das Nasenloch und die Lunge zu ersetzen.

Das letzte Puzzlestück ist "kontrollierte Muskelbewegungen des Oberkörpers", und hier habe ich absichtlich kein Niesen geschrieben , da ich das nicht gemeint habe. Es stimmt zwar, dass das vorgeschlagene Experiment im MacGyver-Stil (Pfeffer auf die Nase) unangenehm ist, aber es sollte zeigen, wie viel potenzieller Schub der menschliche Körper erzeugen kann, wenn die entsprechenden Muskeln in der gewünschten Reihenfolge bearbeitet werden.

Es mag albern erscheinen, aber ich meine meine Antworten immer todernst.