Wie möglich sind "Weltraumsprünge"?

Aus dieser Frage zu Physics.SE:

Aber abgesehen davon gibt es keinen Grund, warum ein Mann nicht von hinter Jupiter geworfen werden könnte, eine langsame Schleife um den Mond drehen und dann spiralförmig zur Erde hinuntergehen könnte ... vorausgesetzt, er hat einen wunderbaren Anzug, der dem atmosphärischen Eintritt standhält.

Ab dieser Frage zu Felix Baumgartner :

Beachten Sie, dass er, selbst wenn er aus "unendlich" springen würde, nur die Fluchtgeschwindigkeit erreichen würde, die für die Erde 11.200 m / s beträgt, genau wie die langsamsten Meteoroiden. Ich denke, dass ein ausreichend guter (und gekühlter) Anzug, der von NASA-Raketen inspiriert wurde, in der Lage sein könnte, einen Menschen vor solchen relativen Geschwindigkeiten zu schützen, obwohl sie für generische Oberflächen mit ziemlicher Sicherheit an der Oberfläche zu brennen beginnen würden.

Es wäre jedoch nicht angenehm, von solchen Geschwindigkeiten in der Atmosphäre abzubremsen. ;-) Sie sehen, wenn Sie gleichmäßig von 10 km/s auf 0 km/s abbremsen, während Sie 10 km durch die Atmosphäre fliegen, dauert das Durchdringen der Atmosphäre etwa 2 Sekunden. In zwei Sekunden von 10 km/s auf 0 km/s zu kommen, bedeutet jedoch, dass die Verzögerung 5000 m/s/s oder 500 g beträgt. Ich schätze, dass nicht einmal er das überleben könnte. ;-)

Die interessante Information, die ich von diesen beiden bekomme, ist also, dass Ihre Flugbahn der Schlüssel sein wird. Sie konnten nicht direkt hineinfallen, also benötigen Sie wie beim Space Shuttle einen langen Gleitweg. Dadurch erhalten Sie eine geringere Reibung, was zu einer geringeren g-Belastung und niedrigeren Temperaturen führt. Offensichtlich benötigen Sie dann mehr gespeicherte Luft - da dies einige Zeit dauern kann - und möglicherweise dickeres ablatives Material an Ihrem Anzug (ich habe keine Zahlen dazu, aber obwohl die Temperaturen etwas niedriger sein können, werden Sie es trotzdem haben ablatieren, um den Inhalt des Anzugs zu schützen)

Möglicherweise benötigen Sie Winglets oder andere Steuerflächen, um diesen Gleitpfad zu verwalten.

In der Tat - Sie wären mit einer Kapsel besser dran ...

Während Rorys Antwort knapp ist, lassen Sie mich ein paar zusätzliche Details geben.

1. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 7,8 km/s im erdnahen Orbit.
2. Wenn Sie umkreisen, werden Sie nicht direkt nach unten fallen. Es wird einfach nicht passieren. Tatsächlich würde die maximale Geschwindigkeit aus einer minimalen Verbrennung resultieren, die Sie ziemlich langsam durch die Atmosphäre bringen würde.
3. Ab einer Höhe von etwa 50 km beginnen Sie, etwas langsamer zu werden, wo der Wiedereintritt wirklich beginnt.

Es gibt also 2 Szenarien, die diskutiert werden sollten.

1. Der direkte Abstieg – Denken Sie an den Freifallrekord von Felix Baumgartner von 39 Kilometern (24 Meilen) , aber ungefähr 500 km hoch.
2. Die langsame Annäherung - Das wäre eher wie das Space Shuttle.

Der direkte Anflug - Irgendwie befinden Sie sich auf einer Raumstation und müssen abbrechen. Du hast nur eine Rakete und kein Raumschiff. Sie feuern also genug, um Ihre Umlaufgeschwindigkeit zu stoppen, und fallen direkt nach unten. Diese Abfolge von Ereignissen ist übrigens eher unwahrscheinlich.

Ihre Höchstgeschwindigkeit liegt wahrscheinlich bei etwa 2000 m/Sekunde. Nehmen wir an, Sie treffen bei 10 km auf die Atmosphäre, das würde Ihnen eine Verzögerungszeit von 10 Sekunden geben. Das sind ungefähr 20 g Beschleunigung, nicht genug, um dich umzubringen, aber es wäre keine angenehme Erfahrung.

Im zweiten Fall fallen Sie nur leicht vertikal. Ihre G-Kraft wäre nicht mehr als die des Space Shuttles. Wenn Sie den Anzug genau richtig entwerfen könnten, würde er vermutlich funktionieren, aber er wäre wahrscheinlich extrem schwer und riskant.

Unterm Strich glaube ich, dass es in jedem Fall möglich wäre, aber es wäre ziemlich gefährlich. Das Schwierigste wäre, das De-Orbit-Manöver zu starten und den Anzug genau richtig zu bauen.

Viel wahrscheinlicher ist die Fähigkeit, einen abgebrochenen Start zu überleben, wie zum Beispiel der Challenger. Sie können sehr schnell oder hoch fliegen, aber solche Dinge passieren eher innerhalb der Atmosphäre und verlangsamen Sie erheblich.

Sicher. Warum nicht. Sie wollen natürlich eine Art Hitzeschild .

Oder dieses praktischere Design :

Oder dieses frühere, weniger überzeugende Konzept :

Es sieht aus wie der Sturz von a$100\,km$Turm ist in Bezug auf G's überlebensfähig. Ich bin davon ausgegangen, dass ein$100\,kg$Mensch und ein$2\,m$,$100\,kg$Hitzeschild und andere Ausrüstung. Angenommen, ein stumpfer Körper$C_D$, bekomme ich einen ballistischen Koeffizienten von ca$40{kg\over m^2}$. Integriere ich diesen Fall durch eine Standardatmosphäre, wobei die Schwerkraft richtig mit der Höhe variiert, erhalte ich eine maximale Geschwindigkeit von$900\,{m\over s}$, und eine maximale Beschleunigung von$2.8\,G$.

Der Sturz von A$400\,km$Turm ist problematisch. Dann ist die maximale Geschwindigkeit$2400\,{m\over s}$, mit einer maximalen Beschleunigung von$16\,G$. Für einen ballistischen Einstieg kann man nicht wirklich viel darunter bekommen$14\,G$, im Optimum$C_D$von etwa$7{kg\over m^2}$(ein viel größerer Hitzeschild). Vielleicht könnten Sie mit etwas Auftrieb die G-Kräfte abschwächen, aber dann wäre der Fall nicht mehr direkt nach unten.

Wenn ich die Frage richtig lese, geht es hier darum, wie schwierig die technischen Herausforderungen sind.

Angesichts der Daten in der Frage selbst (erstaunlich hilfreich) besteht die eigentliche Frage darin, zu verhindern, dass die Person, die Sie fallen lassen, zerquetscht / Feuer gefangen wird. Ich glaube, die Luftdichte und der Geist der Frage verhindern ein effektives Fallschirmspringen in großer Höhe. Ihr Weltraumspringer wird für einige Zeit im freien Fall sein, beim Aufprall auf die Atmosphäre langsamer werden, dann vermutlich einen traditionellen Fallschirm (mit traditioneller Endgeschwindigkeit) öffnen und sicher landen.

Das Auftreffen auf die Atmosphäre nach dem freien Fall, wenn Sie eine Höhenforschungsrakete oder eine Person sind, ist nicht tödlich (durch Quetschen), wenn auch unangenehm. 5 g ist vollständig überlebensfähig, auch ohne Gegenmaßnahmen.

Das führt zu Atemproblemen (nicht zu schwer, nur etwas Sauerstoff) und Erwärmungsproblemen durch Luftkompression. Das Design von Hitzeschilden dient eigentlich dazu, den Luftwiderstandsbeiwert zu maximieren und die Wärmebelastung zu minimieren . Wenn Sie also bereit sind, wie ein Schlitten aus keramischen Verbundwerkstoffen die Luft aus dem Weg zu schieben, sicherlich. (Könnte auf Ihren Rücken geschnallt werden. Stellen Sie sich eine Ninja-Schildkröte vor, die mit gerade nach oben gerichteten Beinen und Armen auf dem Rücken liegt.) Wenn Sie im Stil von Captain Kirk kopfüber tauchen möchten, müssen Sie mehr als nur ein Sichtfenster haben. Es könnte möglich sein, aber es wäre nicht sicher.

Wenn Sie jedoch die Würde opfern möchten, könnte das Liegen auf dem Rücken mit einer Aeroshell meiner Meinung nach eine durchaus praktische Möglichkeit sein, aus der geostationären Umlaufbahn zu fallen.

Science Fiction hat mehrere interessante Möglichkeiten aufgezeigt, wie man den Wiedereintritt überleben kann, vor allem entweder ein Anzug, der eine hohe thermische Belastung hat, oder ein ablativer Schild, den man hinunterfährt.

Science Fact hat eine noch interessantere Möglichkeit: den Shuttlecock-Modus. Inspiriert von einem Badminton-Federball verwendet Scaled Composites diesen als Wiedereintrittsmodus für die Raumfahrzeuge SS1 und SS2; SS1 stieg auf ein Niveau, bei dem die Atmosphäre nicht mehr nützlich war, um die Fluglage des Fahrzeugs zu beeinflussen.

Ein System von ausfahrbaren Flügeln könnte verwendet werden, um einen Federball-Droge zu erzeugen; Ein Schaum oder Gas mit hoher Ausdehnung in gerollten Schläuchen könnte einen schönen großen Drogue-Effekt erzeugen und verhindern, dass die Reibungswerte eine thermische Gefahr für den geeigneten Astro-Fallschirmspringer erreichen.

Das Problem ist, dass man nicht mit einer Geschwindigkeit eindringt, die ausreicht, um den Drogue und/oder Astro-Fallschirmspringer zu beschädigen.¹ Und das ist ein De-Orbit-Problem.

Ebenso stammt der aufblasbare Aerobraking-Schild, der in AC Clarks 2010: Odyssey 2 veranschaulicht wird, von einem tatsächlichen Vorschlag an die NASA (von Clark, wenn ich mich richtig erinnere). Die NASA kam schließlich 2012 dazu, die Idee zu testen ... IRVE-3 bestand die ersten Tests vor etwa einem Jahr - Juli 2012.

Eine Kombination aus einem aufblasbaren Schild für den Hochgeschwindigkeitsteil² und Federball-Drogen, nachdem sie genug verlangsamt wurden, um nicht durch die Atmosphäre selbst verletzt zu werden, und schließlich ein Fallschirm für die endgültige Landung könnten einen Sprung von LEO oder sogar GTO überlebensfähig machen. Ob das Gerät als Fluchtsystem ein praktisches Gewicht hat oder nicht, ist noch zweifelhaft, aber die Technologie existiert.

¹: Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit in diesem Fall rein relativ zur Atmosphäre ist. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 7,8 km/s für eine erdnahe Umlaufbahn; Die Oberflächengeschwindigkeit am Äquator beträgt etwa 0,46 km/s. Das ist also eine beträchtliche Geschwindigkeitsreduzierung: etwa 7,3 km/s.
Beachten Sie auch: Kittinger und Baumgartner hatten aufgrund der Verwendung eines Leichter-als-Luft-Fahrzeugs eine Relativgeschwindigkeit nahe Null. Jede Geschwindigkeit unter etwa 0,1 km/s ist kein Problem – 360 km/h sind kein allzu großes Problem, und der Drogue kann auch mehr bewältigen.

²: Das ist der Punkt, der noch über der Oberflächengeschwindigkeit liegt, aber unter der Umlaufgeschwindigkeit.