Стрибок у висоту
Нещодавно австрійський парашутист Фелікс Баумгартнер здійснив подвиг, стрибнувши з повітряної кулі на висоту стратосфери. Як пройшла ця місія? ?
Поїздка на повітряній кулі Фелікса Баумгартнера тривала близько двох з половиною годин. Незважаючи на великі коливання в кінці підйому, швидкість підйому залишалася приблизно від 300 до 400 метрів на хвилину.
Малюнки Бруно Вакаро
14 жовтня 2012 року, піднявшись на повітряній кулі на висоту 39 кілометрів, щоб здійснити стрибок вільного падіння, австрієць Фелікс Баумгартнер покинув тропосферу, перший шар земної атмосфери. Незважаючи на опівнічний синій колір, який, здавалося, оточував його капсулу, і майже повну відсутність повітря, парашутист ще не був у космосі. Він досяг стратосфери - слабкого середовища, але все ще досить щільного, щоб підтримувати сходження повітряної кулі і досить швидко уповільнювати спуск парашутиста. Під час цього чудового стрибка Ф. Баумгартнер помітно переступив звуковий бар'єр, хоча слово "стіна" не зовсім доречно.
Висота 39 кілометрів занадто велика, щоб досягти її літаком. Тому вибір проекту Стратоса був зосереджений на польоті на аеростаті, надутому гелієм, як для погодних аеростатів. Але хоча маса цих останніх приладів становить кілька десятків кілограмів, вона тут становить близько 1500 кілограмів для пасажира, його водолазного костюма і, перш за все, капсули.
Тяга Архімеда до ваги та опору
Щоб тяга Архімеда компенсувала вагу цього екіпажу, аеростат повинен був витіснити принаймні стільки ж повітряної маси. На рівні моря, де повітря має щільність 1,2 кілограма на кубічний метр, це відповідає об'єму не менше 1250 кубічних метрів або кулі діаметром 13 метрів.
А як щодо 39 кілометрів над рівнем моря? Повітря там настільки розріджене, що майже не розсіює сонячне світло, а навколишній простір здається чорним. На щастя, ми знаходимось далеко від космічного вакууму: щільність становить близько 4,4 грам на кубічний метр, або в 270 разів менше, ніж на рівні моря. Об’єм повітря, що переміщується, тоді відповідає кулі діаметром не менше 80 метрів.
Тому потрібно було сконструювати гігантську повітряну кулю, висотою 100 метрів і діаметром 130 метрів при її максимальному розширенні (див. Рисунок 1). Щоб пристосувати його об’єм до зменшення щільності з висотою, просто нехай природа робить своє. Завдяки лише частковому наповненню аеростата забезпечується те, що внутрішній тиск є таким же, як і у зовнішнього повітря: таким чином, коли він піднімається і щільність повітря зменшується, гелій робить це в тих же пропорціях.
Таким чином, гелій збільшується в обсязі, так що добуток об'єму аеростата на щільність повітря, а отже, і тяги Архімеда, залишається постійним. На практиці, якщо до маси екіпажу додати масу аеростата і гелію, потрібно було підняти більше трьох тонн. Для забезпечення достатньої швидкості підйому фактично об’єм використаного гелію становив 5100 кубічних метрів, що означає подвоєну кількість, необхідну для підйому.
Завдяки своїй низькопрофільній формі куля зазнає всієї сили аеродинамічного опору повітря. Остання пропорційна добутку квадрата швидкості на величину щільності повітря та фронтального перерізу аеростата. Залежно від ваги та тяги Архімеда, аеростат прискорюється, поки не досягне такої швидкості, що опор компенсує результуючу силу.
При початковому діаметрі аеростата близько 40 метрів (згідно з фотографіями) та коефіцієнті опору, рівному 1, ми знаходимо швидкість підйому порядку шести метрів на секунду. Незважаючи на зменшення щільності повітря з висотою, частково компенсоване збільшенням розміру аеростата, цей темп підйому залишається приблизно постійним перед руйнуванням, коли наближається до максимального розширення аеростата.
Приблизно через дві з половиною години підйому, діставшись до стратосфери, парашутисту пора відкрити дверцята своєї капсули і стрибнути. Як і під час підйому, сили, які в нього вступають у гру, мають вагу і тягу (тяга Архімеда дуже слабка, повітря набагато менш щільне, ніж парашутист).
У перші моменти падіння опір є незначним порівняно з вагою, яка становить близько 1150 ньютонів. На цій висоті, якщо припустити занурення вперед, сила опору в ньютонах приблизно дорівнює 6 × 10 –4 разів більше квадратної швидкості, вираженої в метрах за секунду. Отже, ми знаходимося практично в ідеальному випадку вільного падіння без тертя: швидкість зростає пропорційно минулому часу t, тоді як пройдена відстань дорівнює ½ g t 2, де g - прискорення сили тяжіння.
Швидкість падіння збільшується, а потім зменшується
Цифри вражають: через 30 секунд швидкість вже становить 300 метрів в секунду і подолано більше 4 кілометрів. За відсутності атмосфери Ф. Баумгартнер досягав землі через додаткові хвилини зі швидкістю 870 метрів на секунду. !
Насправді швидкість падіння не збільшується нескінченно. Під подвійним ефектом збільшення швидкості та збільшення щільності повітря під час спуску сила опору дуже швидко зростає. Швидкість досягає максимум 373 метрів на секунду приблизно через 50 секунд, саме в той момент, коли опор стає рівним вазі. Тож навіть на висоті понад 30 кілометрів, де повітря в 100 разів менш щільний, ніж на рівні землі, опору вже не є незначним.
Як тільки максимальна швидкість досягається, опору перевищує вагу, і людина, що стрибає, починає досить сильно гальмувати. Вам доведеться почекати близько 2 хвилин 30 секунд на висоті 10 кілометрів, тобто входу в тропосферу, щоб опору та вага компенсували один одного, а стрибун досяг свого обмеження швидкості (близько 60 метрів на по-друге), як будь-який звичайний парашутист !
Щоб пропагувати цей подвиг, часто згадують, що Ф. Баумгартнер переступив би звуковий бар’єр: це цілком правильно, але й трохи вводить в оману. У даному газі швидкість звуку залежить лише від температури T. Точніше, у повітрі вона становить близько 20 T метрів в секунду. При кімнатній температурі (20 ° C, або 293 Кельвінів) ми знаходимо відомі 340 метрів в секунду. Парадоксально, але швидкість звуку зменшується з висотою в тропосфері, оскільки T падає, перш ніж трохи піднятися в стратосфері: на висоті 30 кілометрів вона становить лише 305 метрів в секунду.
Звуковий бар’єр був перетнутий, але він був м’яким
Тому беззаперечно, що Ф. Баумгартнер перетнув звуковий бар’єр (див. Малюнок 2). Однак щільність на цих висотах залишається настільки низькою, що малоймовірно, що вона створила помітну ударну хвилю, так що була значна звукова сигнатура.
Також згадується, що цей стрибок зможе забезпечити роздуми про процедури виживання космонавтів під час повернення на Землю: замість того, щоб чекати знищення їх космічного корабля у верхніх шарах атмосфери, вони не можуть - не стрибати і прийти назад на Землю, як Ф. Баумгартнер ?
З технічної точки зору скафандр і парашут готові, але залишається велика різниця: Ф. Баумгартнер стрибав без початкової швидкості, тоді як астронавти мали швидкість свого космічного корабля (порядку семи кілометрів на секунду за човник на низькій орбіті), швидкість, з якою сили опору значно ускладнюють катапультування і чинять дуже сильні напруги на скафандрах.