Warum kannst du nicht einfach aus dem Orbit mit dem Fallschirm abspringen?

Dies wird zumindest auf den ersten Blick sicherlich eine völlig dumme Idee sein, wenn man bedenkt, dass das übliche „Der Weltraum ist nicht weit weg, sondern schnell weg“ ist und die tatsächlich verwendeten Hitzeschilde Temperaturen um die 2000 °C aushalten müssen. Ich kann sicherlich nicht erwarten, dass ein Fallschirm solch heftigen Bedingungen standhält?

Nein, das tue ich nicht, aber ich sehe auch nicht ganz ein, warum es das müsste: Die Standardidee hinter dem Wiedereintritt scheint zu sein, dass je mehr Luftwiderstand Sie entwickeln, desto wenigerHitze, die Sie aushalten müssen – daher die stumpfe Form von Wiedereintrittsfahrzeugen oder die Fähigkeit, den Körper zu heben. Ein Fallschirm würde viel mehr Widerstand erzeugen als jede Wiedereintrittskapsel, also würde er den größten Teil der Bremsung sehr hoch oben in der Atmosphäre übernehmen, wo die Dichte noch extrem gering ist. Selbst dort würde sich ein „Luftkissen“ darin ansammeln, das den größten Teil der eigentlichen Luft davon abhalten sollte, die Rutsche selbst zu berühren. Und die Wärme, die der Fallschirm einfängt, würde aufgrund der großen Oberfläche viel besser abgestrahlt als von einem kleinen Hitzeschild. Im Grunde würde jeder Quadratzentimeter der Rutsche nur einen kleinen Bruchteil der Masse der Kapsel und damit ihrer kinetischen Energie abbremsen.

Diese Denkweise scheint auch bei JP Aerospace beliebt zu sein , dessen orbitales Luftschiff einfach durch Wiedereintritt in die obere Atmosphäre absinken und dadurch abgebremst werden soll, ohne die äußerst filigrane Struktur zu beschädigen. ( Hier etwas diskutiert .)
Wohlgemerkt, ich habe viele Zweifel, ob dieses Luftschiff tatsächlich plausibel ist; OTOH-Fallschirme sind eine tragende Säule der Raumfahrt – aber sie wurden immer erst verwendet, nachdem das Fahrzeug nach dem Hyperschalleintritt abgebremst hatte, oder im Fall des Shuttles nur am Boden.

Gibt es dafür einen grundsätzlichen Grund, außer „langsam langweiliger Abstieg“ oder „nur noch nie ausprobiert“? Ich bin sicher, dass jemand in den frühen Tagen der Raumfahrt darüber nachgedacht haben muss.

Ich habe anscheinend nicht richtig erklärt, warum „zu heftige Verzögerungen“ hier kein Thema sein sollten. Einige Kurven für den Prozess unter Verwendung des Skripts von uhoh aus der anderen Frage :

Wiedereintrittsprozess aus einer sehr niedrigen Erdumlaufbahn mit einem 15-m-Fallschirm

Sicher, das ist ein starkes Bremsen wie jeder Wiedereintritt, aber es ist definitiv überlebbar. Und das ist immer noch nur mit einem einzigen Fallschirm mit einem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand von null.

Entscheidend ist hier, tatsächlich mit nahezu orbitaler Geschwindigkeit zu beginnen, damit der anfängliche Eintrittswinkel flach ist. Es wird zwangsläufig steiler, wenn die Geschwindigkeit reduziert wird, aber an diesem Punkt ist die Geschwindigkeit bereits reduziert, also ...

Was weiter helfen würde, ist, den Luftwiderstand während des Eintritts zu optimieren, um die stärksten Spitzen zu vermeiden. Am einfachsten wäre es, verschieden große Rutschen in unterschiedlichen Höhen zu verwenden (was, wie Uwe anmerkt, wahrscheinlich ohnehin nötig wäre). Oder um tatsächlich etwas Auftrieb hinzuzufügen, was auch nicht ganz unplausibel erscheint (Gleitschirm).

def deriv(X, t):

    x, v = X.reshape(2, -1)

    earthRotation = np.hstack((-x[1], x[0])) / (24*3600)
    airVelo = v - earthRotation

    r, speed, airSpeed = [ np.sqrt((qtty**2).sum())
                          for qtty in [x, v, airVelo]]

    acc_g = -x * GMe *((x**2).sum())**-1.5

    alt = r - re

    rho    = rho0 * np.exp(-alt/hscale)
    Fdrag  = -0.5 * airVelo * airSpeed * CD * Area(alt) * rho
    n_lift = np.hstack((-v[1], v[0]))/speed   # definition of lift
    Flift  = LDR * 0.5 * n_lift * airSpeed**2 * CD * Area(alt) * rho

    acc_d = (Fdrag + Flift)/m0

    return np.hstack((v, acc_g + acc_d))

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint as ODEint

pi  = np.pi
GMe = 3.986E+14

alt = 120000.   # meters
re  = 6378000.  # meters
v0  = 7560.     # m/s
hscales = [7500.]   # meters
CDs     = [1.7]  #  https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/VirtualAero/BottleRocket/airplane/rktvrecv.html
LDRs    = [0]
def Area(alt):
  return pi * 15**2             # m^2
m0      = 7800. # kg
rho0    = 1.25  # kg/m^3

X0   = np.array([0, re+alt, v0, 0])
dt   = 1.0      # seconds per reported value by the solver (internally variable timesteps)
time = np.arange(0, 501, dt)

answers = []

for CD in CDs:
    for hscale in hscales:
        for LDR in LDRs:

            answer, info = ODEint(deriv, X0, time, full_output = True)
            answers.append(answer)

km = 1E-03

gee = 9.8  # m/s^2

plt.figure()

for answer in answers:
    x, y, vx, vy = answer.T
    r = np.sqrt( x**2 +  y**2 )
    v = np.sqrt(vx**2 + vy**2)
    KE = 0.5 *m0 * v**2

    plt.subplot(3, 1, 1)
    plt.plot(time, km*vx)
    plt.plot(time, km*vy)
    plt.plot(time, km*v )
    plt.title('vx, vy, vtot (km/s) versus time (seconds)', fontsize=16)
    plt.subplot(3, 1, 2)
    plt.plot(time, km*(r-re))
    plt.title('altitude (km) versus time (seconds)', fontsize=16)
    plt.subplot(3, 1, 3)
    plt.plot(time[:-1], np.sqrt(((vx[:-1] - vx[1:])/dt)**2
                         + ((vy[:-1] - vy[1:])/dt - gee)**2)/gee)
    plt.title('gees', fontsize=16)
plt.show()
Jeder wird innerhalb von fünf Minuten sterben. Du bist im freien Fall. Selbst in LEO beschleunigen Sie mit irgendwo zwischen 9 und 9,8 m/s^2 auf die Erde zu. Sobald Sie auch nur ein bisschen langsamer werden, fallen Sie, beschleunigen immer schneller.
Ein Fallschirm würde für den sehr großen Druck- und Geschwindigkeitsbereich, der erforderlich ist, nicht funktionieren. Auch wenn Sie es mit dem Fallschirm schaffen, die heiße Phase des Wiedereintritts zu überstehen. Die Verzögerung sollte auf Werte begrenzt werden, die die Nutzlast nicht beschädigen.
Ein „Niedrigtemperatur-Wiedereintritt“ würde einen sehr langen Wiedereintritt bedeuten und viel Zeit in Anspruch nehmen. Schließlich müssen Sie die gleiche Menge an Energie abbauen, und das kann schnell und feurig oder langsam und entspannt geschehen ...
Wenn Sie sich in der LEO-Umlaufbahn befinden, benötigen Sie ~9.300 m / s augenblickliches Delta-V , um "anzuhalten" und direkt wieder nach unten zu gehen. Um zu einem Wiedereintritt bei niedriger Temperatur zu gelangen, können Sie nur X m / s gehen, wenn Sie auf die Atmosphäre treffen. Grundsätzlich müssen Sie herausfinden, wie viel Delta-V Sie aufwenden müssen, um sich so weit zu verlangsamen, dass der Fallschirm nicht verbrennt. Wahrscheinlich wird diese Antwort allgemein über 8-9 km/s Delta-V liegen. Das heißt, es wäre die Ausgaben nicht wert, es rentabel zu machen. Ganz zu schweigen davon, dass Sie beschleunigen werden, bis Sie eine kritische Dichte erreichen, die zu Luftwiderstand auf der Rutsche führen kann.
( Aus SF ): Faustregel: Ein Kilogramm TNT hat 4,6 MJ/kg spezifische Energie. Ein Kilogramm der Raumfahrzeugteile hat beim Wiedereintritt 32 MJ/kg. Versuchen Sie, einen Fallschirm mit einer Kraft von 7 kg TNT zu belasten? Ich werde raten, ohne es versuchen zu müssen, dass die Leine brechen oder reißen wird. Die einzige Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, langsamer zu werden, bevor Sie an diesen Punkt gelangen.
@MagicOctopusUrn „7 kg TNT im Wert von Kraft“ ist keine sinnvolle Menge zu diskutieren, die Abmessungen stimmen nicht überein. Natürlich kann ein Fallschirm eine Kapsel nicht augenblicklich abbremsen, ebenso wenig wie ein Hitzeschild. (Was allerdings auch der Explosion von 7 kg TNT nicht standhalten würde.) Der Trick ist, es etwas langsam zu machen. Beim Wiedereintritt wird dies in beiden Fällen „automatisch“ durch die kontinuierlich zunehmende Luftdichte erleichtert. Der Unterschied besteht darin, dass ein Fallschirm mit seiner großen Fläche bereits im höheren Höhenbereich die gleiche Kraft erzeugen würde, was ihn auch kühlfähiger machen würde.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie meinen Punkt verfehlt haben ... die große Rutsche würde beim Wiedereintritt auf so viel Kraft treffen und in absolute Scheiße gerissen werden, wenn Sie vor dem Wiedereintritt nicht genug langsamer werden. Sogar bei niedriger Atmosphäre - es sei denn, das ist ein wahnsinnig starker Stoff.
@MagicOctopusUrn Nun, deshalb denke ich, dass Sie meinen Punkt mit der Frage verfehlt haben. Die Rutsche würde nicht so viel Kraft erfahren, weil sie sehr hoch in der Atmosphäre eingesetzt wird. An diesem Punkt würde die Kapsel selbst nur eine unmerkliche Bremsung erfahren, aber über der Oberfläche der Rutsche würde sich die Kraft zu etwas Bedeutendem, aber immer noch Harmlosem summieren. (Es muss einen Punkt geben, an dem es signifikant, aber immer noch harmlos für jedes Tuch ist, da der Luftwiderstand kontinuierlich von der Dichte abhängt, die kontinuierlich von der Höhe abhängt.)
Sie werden schnell in die Dichte fallen, sobald Sie diesen Widerstand einführen, und die Kraft wird in die Gleichung eingehen.
Ich werde auch eine wilde Vermutung anstellen und sagen, dass Ihr LDR für einen Fallschirm beim Wiedereintritt keine konstante 0 sein wird. Ich meine - wäre es nicht negativ für den Wiedereintritt, wenn man einen Fallschirm oder so benutzt? Ich habe das Gefühl, dass es so wäre, weil ein Fallschirm bei horizontaler Verwendung einen negativen Auftrieb und einen massiven Luftwiderstand erzeugen würde, bis er sich "ausgleicht" und eine vertikale Ausrichtung hat, oder? Ich habe das Gefühl, dass dieses Programmmodell fehlt, dass sich der LDR während des Abstiegs schnell ändert (ich bitte erneut um Klarstellung, ich weiß es eigentlich nicht).
@MagicOctopusUrn LDR wird wahrscheinlich nicht genau Null sein, aber wenn der Fallschirm symmetrisch ist, schwankt er höchstens ein bisschen um Null. Warum denkst du, dass es negativ sein würde? — Was viel mehr schwanken kann, ist die CD, aber ich weiß, wie.
Ich denke, eine interessante Variante dieser Frage würde einen Auftriebskörper wie einen Flügel betreffen. Das sollte in der Lage sein, in der oberen Atmosphäre langsamer zu werden, und wenn es genug Geschwindigkeit verloren hat, um in die dichteren Bereiche der Atmosphäre zu fallen, sollte es in der Lage sein, seinen Anstellwinkel zu vergrößern, um Auftrieb zu erzeugen, um es wieder nach oben zu bringen. Könnte lange dauern, aber ich hätte gedacht, dass das funktionieren würde, oder?
Warum zeichnest du nicht einfach die Energieänderungsrate deines Freitauchers auf? In Ihrem Modell wird dies als Hitze und Geräusch angezeigt und sollte Ihnen eine vernünftige Antwort geben, wenn Ihr Freifall eines feurigen Todes stirbt.
Außerdem bin ich misstrauisch gegenüber Ihrem Beschleunigungsdiagramm. Ihr Python-Code scheint darauf hinzudeuten, dass Sie einfach dV/dt zeichnen; Warum fängst du nicht mit 1g Beschleunigung an? Ihr Diagramm scheint auf beiden Seiten des Abstiegs 0 g zu zeigen.
youtube.com/watch?v=9yRWhu0UGYw ist ein Testlauf von etwas Ähnlichem, das 2014 von der NASA durchgeführt wurde, um dieselbe Idee in einer Mars-Überschallverlangsamung zu simulieren.
@cms Ja, das war nicht ganz richtig. Für die Spitzenverzögerung macht es keinen großen Unterschied, da diese größtenteils horizontal ist (ein weiterer Vorteil des Bremsens hoch oben!), aber Sie haben Recht, darauf hinzuweisen. Fest.

Antworten (4)

Ein weiterer Faktor: Acme liefert Ihnen eine Rutsche aus Unobtanium, die alle auftretenden Kräfte aufnehmen kann. Was geschieht?

Ihr Ziel ist hartes Bremsen in großer Höhe. Du wirst langsamer, du bist nicht mehr im Orbit, du fängst an zu fallen. Sie müssen Ihre Geschwindigkeit reduzieren, bevor Sie zu tief in die Atmosphäre eindringen. Wie viel Zeit haben Sie dafür? Sehr wenig! Sie müssen ungefähr 9.000 m / s abwerfen, bevor Sie zu niedrig werden. Das sind etwa 1000 g-Sekunden. Sie möchten es auf 10 g reduzieren (ziemlich gefährlich) und müssen sich mindestens 100 Sekunden Zeit nehmen. Das hast du nicht.

(Handwellig statt quantitativ ... Wäre schön, ein paar bessere Zahlen zu haben)

Der grundlegende Grund ist, dass es derzeit nur drei Techniken gibt, um Sie oder Ihr Fahrzeug davon abzuhalten, den Boden zu berühren: Bleiben Sie in der Umlaufbahn, aerodynamischer Auftrieb (Fliegen/Gleiten/Fallschirm/Ballonfahren) und direkter Raketenantrieb. Raketen, wie wir sie bauen können, sind ausgefallen, weil sie zu viel Treibstoffmasse benötigen oder das Schub-/Gewichtsverhältnis zu niedrig ist. Die anderen beiden können nicht in derselben Höhe verwendet werden.

Sie sagen es nicht ausdrücklich, aber ich nehme an, Sie denken an einen "normalen" Fallschirm, wie er in der Atmosphäre bei langsamen Geschwindigkeiten verwendet wird, und verwenden ihn stattdessen hoch genug, dass die reduzierte Dichte angemessene Lasten (1-3 g) bietet dass Technik und Kosten nicht komplexer sind als beim Hitzeschild.

Was schön wäre, wenn es am oberen Ende der Atmosphäre ein Regime gäbe, in dem wir gleichzeitig unser Gewicht tragen könnten (damit wir nicht in dichtere Regionen fallen) und nicht durch die Geschwindigkeit verbrennen. In diesem Fall könnte unser Schiff dort bleiben, langsam Energie verlieren und dann weiter sinken, wenn die Geschwindigkeit langsamer wird.

JP Aerospace hofft trotzdem, dass das nicht passiert. Sie könnten eine Höhe identifizieren, in der Ihre (Umlauf-) Geschwindigkeit kein unmittelbares thermisches Problem darstellt, aber es gibt einfach keine Möglichkeit, die Atmosphäre in dieser Höhe zu nutzen, um Ihr Gewicht zu tragen und dort zu bleiben. Egal, ob Sie eine Gashülle, Flügel oder einen riesigen Fallschirm haben, Sie werden immer noch sehr schnell fliegen, wenn Sie weiter in exponentiell dichtere Luft absteigen. Nun steigen die Lasten und Temperaturen rapide an und Sie verlassen den Bereich, in dem ein normaler/einfacher Fallschirm möglich ist.

Ein Fallschirm würde viel mehr Widerstand erzeugen als jede Wiedereintrittskapsel, also würde er den größten Teil des Aufbrechens sehr hoch oben in der Atmosphäre verursachen, wo die Dichte noch extrem niedrig ist.

Ein größerer Umschlag würde einen größeren Widerstand erzeugen, aber bei weitem nicht genug, um die Geschwindigkeit weit oben zu reduzieren.

Selbst dort würde sich ein „Luftkissen“ darin ansammeln, das den größten Teil der eigentlichen Luft davon abhalten sollte, die Rutsche selbst zu berühren. Und die Wärme, die der Fallschirm einfängt, würde aufgrund der großen Oberfläche viel besser abgestrahlt als von einem kleinen Hitzeschild.

Stumpfe Körper sind bereits ziemlich effizient bei der Wärmeableitung. Dieses NASA -Dokument legt nahe, dass 90% der thermischen Belastung von ihnen durch den Bugstoß entfernt werden. Nur die restlichen 10 % müssen stofflich bewältigt werden. Der Umschlag müsste noch effizienter sein, um nützlich zu sein. Ich vermute, dass die Kabel, die den Bugstoßdämpfer durchdringen müssen, interessante technische Herausforderungen darstellen werden.

Aufblasbare aerodynamische Wiedereintrittsfahrzeuge sind jedoch eine Sache. Sowohl die NASA hat in HIAD/IRVE-Systeme investiert und sie tatsächlich geflogen, als auch China/CASC die gleiche Technologie entwickelt hat. Ich bin mir nicht sicher, ob ein aufblasbarer Hebekörper nicht ganz funktionieren würde.

Sie wollen mit einem Fallschirm "die meisten Bremsungen sehr hoch oben in der Atmosphäre machen, wo die Dichte noch extrem gering ist"?

Wenn Sie die Umlaufbahn verlassen und hoch oben in der Atmosphäre bleiben möchten, bis der Wiedereintrittskörper langsam ist, benötigen Sie einen Flügel anstelle eines Fallschirms, um die Auftriebskraft zu erzeugen, die erforderlich ist, um während der Verlangsamung hoch zu bleiben. Sie müssen die abnehmende Zentrifugalkraft durch eine Erhöhung des aerodynamischen Auftriebs ersetzen.

Dieser Flügel sollte in einer sehr dünnen Atmosphäre über einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich von Hyperschall bis Schall oder sogar Unterschall arbeiten. Der Flügel sollte eine gigantische Fläche haben und sich durch Veränderung von Form und Fläche der Geschwindigkeit anpassen. Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand sollte sehr gut sein, um langsam an Höhe zu verlieren.

Aber wir sollten auch an Energieeinsparung denken. Die kinetische Energie der Umlaufgeschwindigkeit muss in eine andere Energieform umgewandelt werden. Elektrische, mechanische oder chemische Energie ist als resultierende Energie ausgeschlossen. Daher ist Wärme die einzige Energieform, in die die Energie der Umlaufgeschwindigkeit umgewandelt werden kann.

Es bräuchte einen magischen Prozess, um die Wärme in eine sehr dünne Atmosphäre zu übertragen, ohne den Fallschirm, Flügel oder Gleitschirm zu sehr zu erhitzen. Die Übertragung auf Wärme sollte kurz vor dem Eintritt in die dichteren Teile der Atmosphäre erfolgen.

Was ist Ihre Meinung zu dem von mir simulierten Szenario, in dem der Fallschirm die Bremsung ohne Auftrieb über 60 km mit <8 g Spitzenverzögerung durchführt?
@Uwe was meinst du mit Formänderung?
@qqjkztd Mit Formänderung meine ich so etwas wie einen variablen Kehrflügel

Technisch gesehen hat USAF-Oberst Joseph Kittinger während des Projekts Excelsior in den Jahren 1959-1960 einen Fallschirmsprung aus dem nahen Weltraum durchgeführt. Er stieg in einem Ballon auf und stieg mit dem Fallschirm über mehrere Missionen ab, von denen die höchste 31 km (19 Meilen) über dem Meeresspiegel lag. Im Jahr 2012 brach Felix Baumgartner den Rekord mit einem Sturz von 39 km (24 mi) und erreichte eine Geschwindigkeit von Mach 1,25. Obwohl keiner der Rekorde über der 100-km-Karman-Linie des "Weltraums" liegt, zeigt er, dass die Höhe selbst kein Problem ist.

In der Praxis spielt die Geschwindigkeit eine Rolle, wie die Frage zeigt. Diese Versuche waren verherrlichtes Fallschirmspringen und mussten sich nicht mit der Umlaufgeschwindigkeit eines Raumfahrzeugs befassen. Das Fallschirmspringen aus dem Weltraum sollte daher eher als Stunt denn als praktische und zuverlässige Möglichkeit betrachtet werden, Menschen aus dem Orbit zu holen.

Nachtrag: Das war auch ein Vorschlag namens ELCH :

Das Design wurde Anfang der 1960er Jahre von General Electric vorgeschlagen. Das System war ziemlich kompakt, wog 91 kg und passte in einen koffergroßen Container. Es bestand aus einem kleinen Raketenmotor mit zwei Düsen, der ausreichte, um den Astronauten aus der Umlaufbahn zu bringen, einem 1,8 m langen PET-Folienbeutel mit einem flexiblen ablativen Hitzeschild von 6,4 mm (0,25 Zoll) auf der Rückseite und zwei Druckkanistern zum Befüllen Polyurethanschaum, ein Fallschirm, eine Funkausrüstung und ein Survival-Kit.

[...]

Dennoch war das MOOSE-System immer dann als äußerste Notmaßnahme gedacht, wenn keine andere Möglichkeit bestand, einen Astronauten zur Erde zurückzubringen; Es war unwahrscheinlich, dass ein Sturz aus dem Orbit, geschützt durch nichts weiter als einen Raumanzug und eine Tüte Schaumstoff, jemals zu einem besonders sicheren – oder verlockenden – Manöver werden würde.

Weder die NASA noch die US Air Force zeigten Interesse am MOOSE-System, und so wurde das Programm Ende der 1960er Jahre stillschweigend eingestellt.

Warum kannst du nicht einfach aus dem Orbit mit dem Fallschirm abspringen?
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