Warum beginnt sich die ISS nicht zu drehen, wenn Leute hineingehen?

Ich habe gelesen, dass vor dem Start alle Menschen und Werkzeuge befestigt werden, um zu verhindern, dass eine Rakete das Gleichgewicht verliert. Warum beginnt sich die ISS nicht zu drehen, wenn Astronauten hineingehen? Oder gibt es einen Kompensationsmechanismus, damit es seine Orientierung beibehält?

Gehen (linearer Impuls) erzeugt nicht einmal Drehungen, Pirouetten (Winkelimpuls) schon.
Ohne Schwerkraft ist das Gehen in der ISS ohnehin nicht möglich.
Eine der seltenen Weltraumfragen, bei denen das Kerbal Space Program das Verständnis verschlechtert :D Anders als in KSP bleibt der Drehimpuls in Wirklichkeit erhalten. Während die Bewegungen von Astronauten und Ausrüstung Anpassungen von den bordeigenen Ausgleichssystemen (Gyroskope, Triebwerke) erfordern, können sie keinen Drehimpuls aus dem Nichts erzeugen. Gehen ist unmöglich, aber stellen Sie sich eine Person vor, die auf eine Leiter "klettert", die ganz um ein Rohr herumgeht - es wird eine Änderung der Rotation geben, wenn sie sich nach vorne zieht, und genau das Gegenteil ändert sich, wenn sie sich selbst stoppt.
Gute Frage! Ich habe eine Folgefrage gestellt .
@Uwe vielleicht nicht praktisch, aber wenn du wirklich in null g gehen wolltest, könntest du in einen Klettverschluss investieren. Aus den SF-Archiven: youtu.be/0iiXUeil5fQ und auch youtu.be/muPNlnm_i44?t=116
In dem Maße, in dem man in der ISS "laufen" kann, dreht sie sich tatsächlich, weil Menschen herumlaufen. Aber zwei Dinge verhindern, dass dies viel mehr als Lärm ist: 1) Die ISS ist viel massiver als ein einzelner Mensch, und 2) der Mensch muss irgendwann aufhören zu "gehen", oder sich zumindest umdrehen und in die entgegengesetzte Richtung gehen. Um die ISS zum Drehen zu bringen, müsste man kontinuierlich einen zylindrischen Weg gehen - sobald das Gehen aufhört, hört das Drehen auf (natürlich ohne alle möglichen unordentlichen Details zu ignorieren).
@Dan: '2) der Mensch muss irgendwann aufhören zu "laufen" = Impulserhaltung
Beachten Sie, dass es ein Schema gibt, das in der Vergangenheit zur Ausrichtung von Satelliten verwendet wurde (ich weiß es derzeit nicht): Im Inneren des Satelliten befinden sich drei Schwungräder (X/Y/Z-Achse), die von Elektromotoren (und Solarzellen) angetrieben werden. Um den Satelliten neu auszurichten, wird der entsprechende Motor gestartet und betrieben, bis sich der Satellit in die richtige Ausrichtung dreht, dann stoppt der Motor.
Jede Bewegung der Astronauten innerhalb der ISS würde die Schwerelosigkeit im Inneren stören, aber nur sehr wenig. Für die bestmögliche Schwerelosigkeit sollte ein sehr empfindliches Experiment innerhalb eines unbemannten Satelliten durchgeführt werden.

Antworten (4)

Beachte die Masseunterschiede. Eine Person wiegt beispielsweise 100 kg, um es rund zu halten.

Die ISS wiegt derzeit 420.000 kg. (Es ändert sich natürlich, wenn Module hinzugefügt, entfernt, geändert werden, Nutzlast ankommt, abfliegt).

Das ist ein sehr geringer Effekt, den eine einzelne Person haben kann. Es sind immer nur 6 Besatzungsmitglieder auf der ISS, daher ist ihre Drehmomentwirkung ziemlich gering.

Unabhängig davon gibt es 6 (?) Steuerkreisel, die die Ausrichtung der Station verwalten. Wie die Kreisel im Hubble scheinen sie störanfällig zu sein und mehrere mussten im Laufe der Jahre ersetzt werden.

Benötigen diese Kreisel Treibstoff, um zu funktionieren, oder verschieben sie nur die Masse um die Station herum?
Ist der Effekt wirklich vernachlässigbar? Ein Astronaut wiegt etwa 1/5000 der Raumstation. Wenn sich ein Astronaut wie Tim Peak dreht und jede Sekunde eine Drehung macht, würde die ISS alle anderthalb Stunden eine Drehung machen. Aber ich nehme an, er konnte nicht aufhören sich zu drehen, ohne mit der Raumstation zu interagieren, damit ihre Rotation angehalten wird. Gleicht die Luft die Dinge aus?
@LocalFluff Das Winkelträgheitsmoment (das hier die einzige relevante Größe ist) ist Masse mal Hebelarm im Quadrat. Das Verhältnis von Astronaut zu Station beträgt weit weniger als 1/5000.
@RainerP. Wenn sechs Astronauten von jeweils vielleicht 80 kg, insgesamt etwa 1/1.000 der Masse der Raumstation, sich bewegen, indem sie sich an Griffen im Inneren nach vorne ziehen, wie bewegt das nicht die gesamte Raumstation, eine Weile, bis alle Bewegungen aufhören einander im Laufe der Zeit? Oder lassen Sie die Reaktionsräder härter arbeiten, um dem entgegenzuwirken. Nichts kann der Rotation oder den Bewegungen eines Raumfahrzeugs widerstehen, wie es bei einem Boot oder sogar einem Flugzeug der Fall ist.
@DenisKulagin Nein, CMGs benötigen keinen Antrieb und verschieben keine Masse um die Station herum. Sie arbeiten nach dem physikalischen Prinzip der Drehimpulserhaltung.
@LocalFluff Um die Station zu drehen, müssen sich die Astronauten drehen oder im Kreis bewegen. Ein Kreis mit mehr als 4 m Durchmesser ist nicht machbar, also sind es 500 kg Astronaut und ein Radius von höchstens 2 m. Zvezda allein bietet mit einer Masse von 20000 kg und einem Hebelarm von 20 m vom Schwerpunkt entfernt ein 4000-mal so großes Drehträgheitsmoment.
A person is say 100 kilos to keep it round.Kugeliger Mensch? In einem Vakuum?
@LocalFluff Mein Verständnis ist, dass die Reaktionsräder der Winkelbewegung entgegenwirken sollten, und das Gleichgewicht wird wiederhergestellt, wenn die Astronauten aufhören, sich zu bewegen. Bei linearer Bewegung ist der Effekt nahezu vernachlässigbar. (Wenn jeder die Länge der ISS "geht", bewegt sich die ISS um 1/5000 ihrer Länge oder etwa 2 Zentimeter)
@LocalFluff - Das Rotationsanalog der Masse ist das Trägheitsmoment. Dies ist eher ein Tensor als ein Skalar. Das kleinste Hauptträgheitsmoment der ISS beträgt fast 100 Millionen kg ⋅ m 2 . Das größte Hauptträgheitsmoment einer Person liegt unter 20 kg ⋅ m 2 – und das mit vollständig über dem Kopf ausgestreckten Armen. Das ist ein Faktor von 5 Millionen statt 5000. Tim Peak befand sich eher in einer gebeugten Position als vollständig ausgefahren, mit einem Trägheitsmoment von 4 oder 5 kg ⋅ m 2 .
@dotancohen Ich wollte die Zahl rund halten, nicht die kugelförmige Person rund. Sie sind schon rund. Rund um die Raumstation Maulbeere...
@geoffc - Es ist ein Witz, der sich auf en.wikipedia.org/wiki/Spherical_cow bezieht
@DavidHammen jedoch würde eine Person, die am am weitesten von ihrem Massenmittelpunkt entfernten Punkt der ISS geht, ihr eine große Menge an Drehimpuls verleihen - mehr, als sie relativ zu sich selbst erzeugen könnte.
@immibis - Versuchen Sie es erneut. Zum einen läuft man in der ISS nicht herum. Es ist eine nahezu Null-G-Umgebung. Zum anderen ist der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße. Welchen Drehimpuls auch immer die Besatzung auf die ISS überträgt, die ISS überträgt einen gleichen, aber entgegengesetzten Betrag auf die Besatzung. Zum anderen sind die am weitesten vom Massezentrum entfernten Punkte die Arrays. Die Crew läuft nicht auf den Arrays herum, egal ob geeignet oder ungeeignet.
@DavidHammen Ich verwende "Gehen" metaphorisch.
Ich nehme an, dass es 6 sind, damit es Paare für jede Achse gibt: Dann können Sie sie (mit Motoren) beschleunigen, ohne die Station zu drehen? Und umgekehrt wird sich die Reibung innerhalb der Paare weitgehend aufheben. Wenn Sie die Station drehen möchten , können Sie die Kreisel innerhalb eines Paares asymmetrisch beschleunigen oder bremsen.

Warum beginnt sich die ISS nicht zu drehen, wenn Leute hineingehen?

Die ISS dreht sich bereits. Seine Rotationsperiode wurde auf 93 Minuten eingestellt, um mit seiner Umlaufzeit übereinzustimmen und eine Seite der Station permanent auf die Erde gerichtet zu halten. Sich bewegende Astronauten bringen es nicht dazu, sich zu drehen, sie verändern seine Drehung.

Wir können zwei verschiedene Effekte in Betracht ziehen, die ein Astronaut auf die Station haben könnte: (1) eine dauerhafte Änderung seines Rotationszustands oder (2) eine vorübergehende Änderung.

Ein Beispiel für eine dauerhafte Änderung wäre, wenn ein Astronaut ein massives Ausrüstungsteil von einem Teil der Station greift, der weit von der Achse entfernt ist, es zu einem Punkt auf der Achse bringt und dort zurücklässt. Dadurch verringert sich das Trägheitsmoment der Station und erhöht damit aufgrund der Drehimpulserhaltung dauerhaft ihre Rotationsgeschwindigkeit. Diese Änderung bleibt bestehen, bis ihr durch eine kompensierende Umverteilung der Masse weg von der Achse oder möglicherweise durch die Verwendung von CMGs oder Triebwerken entgegengewirkt wird.

Ein Beispiel für eine vorübergehende Änderung wäre ein Astronaut, der seinen eigenen Körper näher an die Achse bewegt und dann wieder herausfährt. Da die Änderung vorübergehend ist, ändert sie letztendlich nur die Phase der Drehung. Das ist unerwünscht, weil sie die gleiche Ausrichtung relativ zur Erde beibehalten wollen.

Grundsätzlich ist es für einen Astronauten möglich, sich schnell und kontinuierlich in einem festen Abstand von der Achse im Kreis zu bewegen, um der Station einen erheblichen Drehimpuls zu stehlen oder zu spenden. Der Effekt wäre vorübergehend, und die Geometrie der Raumstation scheint beim Versuch, eine solche Schaltung durchzuführen, nicht sehr hilfreich zu sein.

Die Bewegungen der Astronauten könnten auch dazu führen, dass die Rotation der Station präzediert oder wackelt. Dies würde vermutlich von den CMGs korrigiert werden.

Dies ist eine gute Antwort, es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sich das menschliche LEO-Raumschiff dreht, um eine bestimmte Haltungsbeziehung in Bezug auf den Nadir aufrechtzuerhalten. Ich habe Ihre Antwort in dieser Folgefrage verlinkt .
Auf die Gefahr hin, pedantisch zu sein: „Die ISS dreht sich bereits“ ist eine potenziell irreführende Aussage. Alles im Universum dreht sich und dreht sich nicht, abhängig von Ihrem Referenzrahmen. Von einem geschwindigkeitsfesten Bezugssystem aus dreht sich die ISS nicht. Von einem ECI-Rahmen ist es.
@ArthurDent: Auf die Gefahr hin, noch pedantischer zu werden, gibt es eine objektive Unterscheidung zwischen Trägheits- und Nicht-Trägheitsbezugsrahmen. Es ist keine Ansichtssache, ob sich die Erde um ihre Achse dreht, da sie dadurch eine Ellipsenform hat.

Die CMGs (Control Moment Gyros) müssen die Bewegung des Astronauten kompensieren. Im Mission Control Center war es möglich, anhand der Funktionsweise der CMGs (vier davon) festzustellen, ob die Astronauten wach waren. Aber die Bewegungen sind sehr klein. Die CMGs benötigen für den allgemeinen Betrieb keinen Kraftstoff, werden jedoch regelmäßig "gesättigt", und dann ist eine Entsättigungsverbrennung erforderlich. Die CMGs können jeweils unabhängig ausgerichtet werden. Sie zeigen also zunächst in unterschiedliche Richtungen. Wenn eine Drehung erforderlich ist, werden sie so bewegt, dass sie einen entgegengesetzten Nettodrehimpuls haben, wodurch sich das Fahrzeug dreht (oder aufhört, sich zu drehen). Im Laufe der Zeit werden sie alle in die gleiche Richtung ausgerichtet sein, die "Sättigung" ist.

Während eines Starts ist alles befestigt, weil eine Rakete sehr schnell beschleunigt (3G oder mehr), sodass jedes lose Objekt sehr schnell „fällt“ und hart auftrifft und möglicherweise wichtige Ausrüstung beschädigt.
Änderungen des Schwerpunkts haben aufgrund dieser großen Beschleunigung ebenfalls große Auswirkungen während des Starts.

Im Orbit sind die Kräfte im Vergleich viel kleiner. Da sich alles in Schwerelosigkeit 0 befindet, benötigen Sie nur geringe Kräfte, um sich fortzubewegen. Außerdem sind die Kräfte im Allgemeinen ausgeglichen. Sie bewegen sich um die Station herum, indem Sie an einer Stelle abstoßen und dann zur nächsten Wand fliegen, wo Sie anhalten, indem Sie die gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung anwenden.

Trotzdem wird die Lage der ISS mit Gyroskopen (und ggf. Triebwerken) gesteuert.

Warum beginnt sich die ISS nicht zu drehen, wenn Leute hineingehen?
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